AVS的工作原理

AVS的工作原理

CPU和DSP对数据处理速度的要求不断提高，对电源模块的供电要求也就相应地提高了，这主要体现在对电源的输出电流大小及其变化率和输出电压峰峰值的要求上。相对于使用精巧的电路、大容量低ESR电容等缺乏灵活性的纯硬件设计的缺点，AVS的引入不仅有利于电源模块的热设计，而且输出电压峰峰值小、恢复时间短，有效地改善了模块的动态响应，特别适用于低电压、大电流的场合。

自适应电压调整AVS基于跟踪系统处理器的性能变化，由嵌入式自适应先进电源控制器（APC）做出自适应电压调整。APC通过PowerWise接口将系统处理器的性能（频率）、温度变化准确地传递给外部自适应电源管理芯片。然后，该电源管理单元根据性能需求自动调整供给系统处理器的电压，使处理器运行在能确保应用软件正确运行的最低电压和频率下。DVS和AVS的核心是先进电源控制器（APC）。图2为AVS的原理框图。

图2 AVS的闭环控制原理框图

在DVS模式中，APC根据来自时钟管理单元CMU的频率请求，从内部的DVS表中取出相应的电压值，并传送给PMIC。然后使用一个定时器来延迟CMU对于频率的确认，直到电压稳定为止。

在AVS工作模式中，当CMU为一个新的工作状态请求一个新的频率，并为该状态设定一个新的HPM时钟时，AVS的频率就开始变化。随后APC环路控制器使用硬件性能监视器HPM数据来确定所需的调节频率。它反复调节电源电压，直到能满足新频率的要求（如图3所示）。这一过程听起来虽然比较复杂，但是具有补偿工艺和温度波动、时钟频率变化、电源变换器偏移等优点。与电压固定的系统相比，AVS模式实现的动态电压控制最多能降低70%的功耗。

目前许多处理器芯片支持动态电压、频率控制，比如InteI公司的芯片支持SpeedStep，AMD公司芯片支持的NCQ技术，ARM支持的IEM（Intelligent Energy Manager）和AVS（Adaptive Voltage Scaling）等。不过，要让动态电压频率调节发挥作用，真正实现节能，只有芯片的支持还是不够的，还需要软件与硬件的综合设计。

图3 AVS的控制环路示意图

一个典型的动态电压频率调节系统的工作流程如下（主要部件及关系参见图3）。

①采集与系统负载有关的信息，计算当前的系统负载。这个过程可以用软件实现，也可以用硬件实现。软件实现的过程是在操作系统的核心调用中安放钩子，根据核心函数调用的频度使用不同的算法来判断系统的负载。CPU负载跟踪与性能预测的工作也可以由硬件完成，如Freecscale的i.Mx31，通过采集一些核心信号中断线、Cache、内存总线的使用情况等，计算当前的系统负载。这样，一方面确保了负载计算的准确性；另一方面减轻了CPU用于负载跟踪与性能预测的负担。不过，硬件实现的缺点就是无法灵活地选择预测算法。

②根据系统的当前负载，预测系统在下一时间段需要的性能。有多种预测算法可以选择，要根据具体的应用来决定。同样的，预测也可由软件或硬件实现。

③将预测的性能转换成需要的频率，从而调整芯片的时钟设置。

④根据新的频率计算相应的电压，并通知电源管理模块调整供给CPU的电压。这需要特别的电源管理芯片，比如Freescale公司的MC13783或者NS公司的支持PowerWise特性的系列电源管理芯片。它们能够支持微小的电压调整（25mV）并且能在极短的时间内（几十μs）完成电压的调整。

综上所述，支持闭环AVS功能的标准系统配置必须有以下的基本元件：内置于处理器的先进电源控制器APC、集成PWI从属器的电源管理芯片，以及将两者连接在一起的PWI串行总线。电源管理集成电路负责为处理器提供不同的电压，电压大小则由先进电源控制器内的PWI主控器负责调节，办法是由主控器将有关的命令传往PWI从属器，再由相关的电路进行调节。

先进电源控制器APC负责接收主处理器的命令，为电压控制过程提供一个不受处理器影响的操作环境，以及实时跟踪逻辑电路的操作速度。APC永远处于戒备状态，不断监测系统的一切参数，例如，系统温度、负载、瞬态、工艺及其他有关的变动，每当APC收到有关频率即将转变的消息，立刻分析判断，以确定若以新频率操作，系统最少需要多大供电电压才可保持稳定。整个过程由闭环电路负责监控。

其他需要考虑的问题

电压的降压将导致与外部芯片接口的管脚的阈值电平发生变化，当与外部逻辑相连时，必须使用电平变换逻辑进行转接，以适配接口两侧的阈值电平。例如一个电压为0.8～1.2V的AVS电路和一个固定电压1.2V的电路接口，则AVS电路的接口逻辑必须按照1.2V接口进行适配设计。类似的，由于DVS或AVS可能导致的频率变化，与外部的同步电路设计接口时，必须计算接口的时序余量，如果时序不能完全匹配，则还需要添加额外的同步或延时电路来进行时序调整。

在调整频率和电压时，要特别注意调整的顺序。当频率由高到低调整时，应该先降频率，再降电压；相反，当升高频率时，应该先升电压，再升频率。

输出电压范围及电压变化期间的斜率是必须考虑的两个参数。在电压发生变化的DVS周期中，必须控制输出电压的斜率，采用外部组件可以实现控制，也可以采用能够在内部降低参考电压变化的调速电容器，或者部署能够通过较小的步长（如25mV）将输出电压从初始值调节到目标值的数字计数器等。

不断降低的电压电平对输出电压的精度也提出了更高的要求。因此，一般很难找到合适的标准器件来满足相关需求。如果采用外部反馈分压器，则电阻器的容差会增加内部电路的总容差。此类系统中的整体精度始终低于采用内部固定输出电压的解决方案，尽管后者需要2个额外的外接组件。因此，对于采用在工作过程中能够微调的内部电阻分压器的转换器而言，需要定义一系列不同的电压，而且在-40～+85℃温度范围内达到±1％的整体DC精度。

为了在不同的负载情况下实现最佳的瞬态响应或较低的输出电压容差，还必须采取其他措施，除了内部设计之外，还必须优化外部元件。采用较低的电感值，电流能够以较快的速度提高，这尤其适合快速瞬态响应。在瞬态情况下，如果没有负载，则较低的电感值较为有利，因为它将按照较低的电压仅为输出电容器充电并且具有较低的电压过冲。

影响动态电压与频率调节技术得到广泛应用的另一个最关键因素是预测的可靠性。没有一种预测算法是100％准确的，也没有一种算法可以应用于所有的程序；而对于某些应用（如音频、视频等），预测失败的结果是不可接受的。但随着预测算法的进步，动态电压、频率控制技术必将得到广泛的应用，因为它能够节省很多能量。而节能对许多便携式设备来说，常常是第一要求。